土木工程畢業(yè)設(shè)計--板式無砟軌道設(shè)計計算

1、<p>　　板式無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算</p><p>　　1. 無砟軌道的介紹</p><p>　　1.1 技術(shù)發(fā)展概況</p><p><b>　　1.1.1國內(nèi)概況</b></p><p>　　我國鐵路曾于20世紀(jì)30年代先后在東北牡圖線的北老松嶺隧道和沈丹線的福晉嶺隧道鋪設(shè)過長木枕和短木枕式混凝土道

2、床軌道。50年代又在沈吉線水簾洞隧道鋪設(shè)了預(yù)埋長木枕混凝土道床軌道。60年代以后，隨著山區(qū)鐵路的修建，先后在成昆線、京原線、京通線、南疆線等隧道內(nèi)鋪設(shè)了剛性支承塊式混凝土整體道床軌道，總延長約300km。并于1984年編制了適用于各類圍巖鋪設(shè)的通用設(shè)計圖。與此同時，還在鐵路站場、港口碼頭等地段土路基上鋪設(shè)了經(jīng)改進(jìn)的整體道床軌道。80年代初，還曾在皖贛線溶口隧道內(nèi)首次鋪設(shè)了類似日本的乳化瀝青水泥砂漿墊層式板式軌道。90年代以來，在京九線九

3、江長江大橋引橋（長7km）上鋪設(shè)了無砟無枕軌道。在寶天線白清隧道和西安線秦嶺特長雙線隧道（長18.4km）鋪設(shè)了彈性支承塊式混凝土道床軌道。迄今為止，運(yùn)用效果良好。</p><p>　　本世紀(jì)初以來，為適應(yīng)鐵路運(yùn)輸行車速度的不斷增長，又相繼在秦沈客運(yùn)專線雙何曲線特大橋（長740m）和狗河特大橋（長741m）上鋪設(shè)了板式軌道，沙河特大橋（長692m）上鋪設(shè)了枕式無砟軌道。在西康線秦嶺隧道、蘭武線烏鞘嶺特長隧道（長2

4、0.5km）等修建彈性支承塊式無砟軌道。在渝懷線魚嘴二號碎（長710m）內(nèi)試鋪了枕式無砟軌道。在贛龍線楓樹排隧道（長790m）內(nèi)試鋪了減振型板式無砟軌道。</p><p>　　2004年初，國務(wù)院批準(zhǔn)了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了鐵路網(wǎng)建設(shè)的藍(lán)圖。為迎接國務(wù)院已批準(zhǔn)的武廣、鄭西、石太、京津、合寧、合武、溫福、福廈、甬溫9條鐵路客運(yùn)專線建設(shè)高潮的到來，實(shí)現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展，到2010年客運(yùn)專線達(dá)到4000km，到20

5、20年達(dá)到10000km的目標(biāo)，必須樹立堅持部黨組提出的“以人為本、服務(wù)運(yùn)輸、強(qiáng)本簡末、系統(tǒng)優(yōu)化、著眼發(fā)展”的建設(shè)新理念。以此為契機(jī)，目前全路科研、設(shè)計、施工、院校的領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授和從業(yè)人員正在全力協(xié)同開展有關(guān)成區(qū)段鋪設(shè)各種類型無砟軌道的前期工作。高速客運(yùn)專線成區(qū)段鋪設(shè)無砟軌道必將成為我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。</p><p>　　1.1.2剛性支承塊整體道床</p><p>　　我國

6、早在五十年代就曾開始鋪設(shè)隧道內(nèi)整體道床，其主要結(jié)構(gòu)形式是隧道內(nèi)的砼支承塊式整體道床，至今，統(tǒng)計累計鋪設(shè)了約300余公里。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于現(xiàn)場制造和施工。當(dāng)隧道基底堅實(shí)穩(wěn)定時軌道的穩(wěn)定性好，道床美觀整潔，軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量可減少50％～70％。 </p><p>　　國內(nèi)60年代到80年代修建的整體道床至今仍有相當(dāng)一部份在運(yùn)營中表現(xiàn)良好。但也有不少隧道內(nèi)的整體道床在運(yùn)營中出現(xiàn)了難以修復(fù)的病害，較嚴(yán)重的不得不

7、拆除改為普通有砟軌道。 </p><p>　　總結(jié)以往剛性整體道床的運(yùn)用過程存在以下問題：</p><p>　　（1）軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計偏弱，剛度偏大，彈性不足，結(jié)構(gòu)動應(yīng)力增大，易形成疲勞破壞； 如：發(fā)生支承塊松動，支承塊擋肩破壞，扣件斷裂等現(xiàn)象。有些中心水溝式及淺側(cè)水溝式整體結(jié)構(gòu)，水浸入道床后在軌道沖擊荷載作用下，形成活塞作用，加速道床砼的破壞；個別的整體道床直接修建在膨脹巖基礎(chǔ)上，發(fā)生道

8、床的變形破壞。在整體道床發(fā)展前期，造成設(shè)計強(qiáng)度偏弱和標(biāo)準(zhǔn)偏低的重要原因是對軌道動力作用認(rèn)識不足和鐵路建設(shè)資金缺乏。</p><p>　?。?）道床澆注前或隧道鋪底前，基底浮砟及異物清理不徹底，運(yùn)營后使道床砼板下不實(shí)，產(chǎn)生破壞。</p><p>　?。?）施工機(jī)械化水平低，勞動強(qiáng)度大，進(jìn)度慢，軌道幾何精度不好，質(zhì)量難以保證。</p><p>　?。?）運(yùn)營中當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生

9、病害時，不易修復(fù)，影響了行車安全。</p><p>　　1.1.3彈性整體道床</p><p>　　這是一種低振動無砟軌道結(jié)構(gòu)，是由鋼軌及其扣件、塊下膠墊、橡膠靴套、混凝土道床板及混凝土底座等組成。1995年-2000年，由鐵一院主持、鐵科院、大興鐵道建筑設(shè)計院、等多家單位參與的“彈性整體軌道結(jié)構(gòu)及施工工藝和機(jī)具的研究”科研項目。課題研究的主要內(nèi)容如下：</p><p&

10、gt;　　課題研究內(nèi)容主要含有四個子課題和兩個試驗(yàn)段，四個子課題為：</p><p>　　（1）彈性整體道床結(jié)構(gòu)及施工和鋪設(shè)技術(shù)條件的研究。</p><p>　　（2）彈性整體道床的彈性可調(diào)式扣件研究。</p><p>　?。?）超長無縫線路長鋼軌一次鋪設(shè)工藝及機(jī)具的研究。</p><p>　?。?）彈性整體道床施工工藝及機(jī)具設(shè)備的研究。&l

11、t;/p><p><b>　　兩個試驗(yàn)段為：</b></p><p>　?。?）隴海線寶天段白清隧道彈性整體道床結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段。</p><p>　　（2）西安安康線大瓢溝隧道彈性整體道床施工工藝及機(jī)具設(shè)備試驗(yàn)段。</p><p>　　1.1.4長軌枕埋入式無砟軌道</p><p>　　長軌枕埋入式無砟軌

12、道主要是由整體式穿孔混凝土枕和現(xiàn)場灌注的混凝土道床來組成。它包括鋼軌及其扣件、穿孔混凝土枕、混凝土道床和混凝土底座。這種無砟軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是堅固、耐久、可靠、幾何形位不易變動，維修工作量小，具有軌道少維修的功能。并已成功鋪設(shè)在秦沈客運(yùn)專線沙河特大橋上和渝懷線魚嘴二號隧道內(nèi)。</p><p>　　1.1.5土路基上無砟軌道</p><p>　　我國鐵路在土路基上鋪設(shè)的無砟軌道結(jié)構(gòu)類型主要有水

13、泥混凝土道床無砟軌道和瀝青混凝土道床無砟軌道，但僅限于于大型客站、客技站、洗涮線、裝卸線、港口碼頭等地段，雖應(yīng)用效果良好，但這些地段的行車速度、通過運(yùn)量和行車密度都低于正線標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)指出，在土路基上鋪筑無砟軌道，由于土路基的承載能力較低，又對動載荷和水浸蝕反應(yīng)敏感，因此，必須特別重視對地基的加強(qiáng)處理和排水設(shè)施的良好設(shè)置。</p><p>　　近年來，無砟軌道的應(yīng)用，在

14、國外高速鐵路上發(fā)展很快，特別是在德國新建高速線上連續(xù)長區(qū)段幾乎全線鋪設(shè)了Rheda-2000無砟軌道。為此，我國鐵路已擬在遂渝線和武廣線上鋪設(shè)連續(xù)成段無砟軌道綜合試驗(yàn)段，積累工程技術(shù)儲備以適應(yīng)今后時速200km客貨共線和時速300km高速鐵路建設(shè)的需要。</p><p>　　（1）支承塊式混凝土道床無砟軌道</p><p>　　這種土路基上混凝土道床軌道的基本特征是，在經(jīng)過碾壓密實(shí)的路基上

15、先鋪墊一定厚度（15～25cm）的砂夾碎石墊層加強(qiáng)，或采取樁基加強(qiáng)對策，然后灌注混凝土道床，道床又有單層和雙層之分。單層道床為厚35cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C30混凝土，雙層道床下層為寬350cm、厚30cm的底部配置鋼筋網(wǎng)的C15混凝土，上層為寬250cm、厚27cm的C25混凝土，支承塊采用C40鋼筋混凝土。</p><p>　?。?）寬枕瀝青混凝土道床無砟軌道</p><p>　　（3

16、）承軌臺式混凝土道床板鋪裝無砟軌道</p><p><b>　　1.2 國外概況</b></p><p><b>　　1.2.1日本情況</b></p><p>　　日本自1965年開始研發(fā)新型少維修軌道，在研發(fā)中曾提出過種種結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)過方案比選，考慮到預(yù)制混凝土板在制造上容易保證精度，又可在板下與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置可供

17、調(diào)整的緩沖墊層，又能滿足控制成本、快速施工、可維修性和軌道強(qiáng)度、彈性保持與有砟軌道等同水平等要求，因此，把這種結(jié)構(gòu)形式取名為“板式軌道”。其研發(fā)目的是減少軌道維修，以節(jié)省人力、物力、財力，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和耐用的目標(biāo)。見圖1.1。</p><p><b>　　圖1.1</b></p><p>　　日本在高架橋上、隧道內(nèi)等堅固基礎(chǔ)上大量鋪設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)定型的A型板式軌道，目前正

18、在研制試鋪各種型式的減振降噪板式軌道，G型防振板式軌道已標(biāo)準(zhǔn)定型。在土路基上試鋪有RA型板式軌道和板式道岔，還試鋪有Cc型板式軌道、B型、E型和C型鋪裝軌道，以及框架軌道和梯型軌道等。</p><p>　　以往，日本高速鐵路土路基上主要鋪設(shè)的是瀝青混凝土道床寬枕（LPC枕）無砟軌道。近年來，又在試鋪水泥混凝土道床板式無砟軌道。</p><p>　　1）RA型板式軌道 </p>

19、<p>　　RA型板式軌道結(jié)構(gòu)，它是由鋼軌、鋼軌扣件、軌道板、CAM（水泥瀝青砂漿）填充層和瀝青混凝土基床等部分構(gòu)成的。 </p><p>　　為能在土路基上或既有高架橋上鋪設(shè)，不采用凸形擋臺法阻止板的縱橫向移動，而采用在板底作凹槽的方法，利用其與CAM之間的阻力阻止板的移動。</p><p>　　可見，這種軌道是用瀝青混凝土基床強(qiáng)化路基，與其說是用軌道板不如說是用更寬的軌枕分

20、散列車載荷壓力，從而形成十分穩(wěn)定的路面鋪裝軌道，可以顯著延長軌道養(yǎng)護(hù)維修周期。 </p><p>　　2）土路基上混凝土道床板式軌道</p><p>　　為改善RA型板式軌道所用瀝青材料溫度敏感性高和耐久性差的不足，提出了用水泥混凝土道床替代瀝青混凝土道床的結(jié)構(gòu)方案。</p><p>　　它是由砂層、下部鋪裝（由級配碎石層、礦渣層、水泥穩(wěn)定處理層或?yàn)r青中間層組成的強(qiáng)

21、化路基）、鋼筋混凝土底座、乳化瀝青水泥砂漿層（CAM）、Ａ型軌道板、鋼軌扣件和鋼軌等構(gòu)成的。</p><p><b>　　這種軌道的特點(diǎn)是：</b></p><p>　　(1) 可以使用在高架橋上和隧道內(nèi)等剛性基礎(chǔ)上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)Ａ型軌道板。</p><p>　　(2) 由于采用抗彎剛度大的混凝土底座，可以提高荷載的分散傳遞效果。</p&

22、gt;<p>　　(3) 與瀝青系材料相比，溫度敏感性低，耐久性優(yōu)。</p><p>　　(4) 與瀝青鋪裝施工時可采用道路工程鋪裝用的大型施工機(jī)械相比，施工效率降低了，并且需要較長的養(yǎng)生時間。</p><p>　　(5) 工程建設(shè)費(fèi)高于瀝青鋪裝軌道。</p><p>　　(6) 應(yīng)采取防止混凝土因溫度收縮而出現(xiàn)裂紋的技術(shù)對策。</p>

23、<p>　　(7) 與有砟軌道相比，噪聲和振動高。</p><p>　　關(guān)于工程建設(shè)費(fèi)，如考慮其使用壽命期限內(nèi)的全部費(fèi)用（建設(shè)費(fèi)＋維修費(fèi)＋管理費(fèi)），未必就不經(jīng)濟(jì)。關(guān)于噪聲和振動，可根據(jù)地基承載力的情況，視需要采取減振降噪技術(shù)對策。關(guān)于提高施工效率和混凝土收縮裂紋也可采取相應(yīng)對策。</p><p>　　3）框架式板式軌道（圖1.2）</p><p><

24、b>　　圖1.2</b></p><p>　　框架式板式軌道結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn): </p><p>　　(1)可以克服因溫度變化引起的板的翹曲,防止CA砂漿損壞,減少維修量; </p><p>　　(2)減少板的體積和重量及CA砂漿用量,降低生產(chǎn)成本和運(yùn)費(fèi),獲得更好的經(jīng)濟(jì)性; </p><p>　　(3)改善施工性能,板下CA

25、砂漿充填質(zhì)量更加均勻等。</p><p><b>　　(4)緩和溫度應(yīng)力</b></p><p><b>　　1.2.2德國情況</b></p><p>　　1）Rheda無砟軌道情況</p><p>　　德國是歐洲最熱心研究開發(fā)無砟軌道的國家。為了達(dá)到減少維修勞力、適應(yīng)高速運(yùn)營和強(qiáng)化軌道的目的，從

26、1959年起就開始研制和試鋪各種類型的少維修無砟軌道。</p><p>　　上世紀(jì)70年代，首先在希爾舍特（Hirschaid）車站試鋪了3種類型的無砟軌道。隨后又在雷達(dá)（Rheda）車站和厄爾德（Oelde）車站試鋪了2種無砟軌道。1977年在慕尼黑試驗(yàn)線上又試鋪了6種新型無砟軌道。</p><p>　　自從1972年在比勒費(fèi)爾德-哈姆間的Rheda車站土路基上鋪設(shè)整體式軌枕混凝土道床無

27、砟軌道以來，又相繼試鋪了各種水泥混凝土道床和瀝青混凝土道床無砟軌道。經(jīng)過多年在土路基上、高架橋上和隧道內(nèi)的試鋪試驗(yàn)，不斷完善、改進(jìn)、優(yōu)化，形成了德國鐵路運(yùn)用較為普遍的無砟軌道系列，并于1989年基本定型并統(tǒng)稱為Rheda軌道。</p><p>　　德國Rheda無砟軌道系統(tǒng)，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)Rheda軌道形式→Rheda Sengeberg軌道形式→Rheda軌道Berlin HST形式→Rheda-2000軌道形式

28、的發(fā)展過程如下圖1.3:</p><p><b>　　圖1.3</b></p><p>　　2）Rheda2000無砟軌道的特點(diǎn)</p><p>　　(1)與普通型軌道相比，軌頂?shù)剿残曰炷辽媳砻娴木嚯x減少到473毫米，軌道板各層的厚度累計減少了177毫米，在軌距不變的前提下，軌枕全長2.6米減少到2.3米。所用混凝土量大大減少了。</

29、p><p>　　(2)埋入長枕優(yōu)化為短枕，后期澆注混凝土與軌枕之間的裂縫減少。</p><p>　　(3)對土質(zhì)路基、橋梁、高架橋、隧道、道岔區(qū)段以及減振要求區(qū)段，可以采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)類型，技術(shù)要求、標(biāo)準(zhǔn)相對單一，施工質(zhì)量容易控制，更適應(yīng)于高速鐵路。</p><p>　　(4)槽型板的取消，使得軌道混凝土承載層的灌注混凝土的搗固作業(yè)質(zhì)量易于保證。</p>&l

30、t;p>　　(5)兩軌枕塊之間用鋼筋桁梁連接，軌距保持穩(wěn)定。</p><p>　　(6)表面簡潔、平整，美觀漂亮。</p><p>　　1972-1988年鋪設(shè)無砟軌道25處，延長19km，1989-1997年又鋪設(shè)無砟軌道22處，延長188km，遍及土路基、橋梁和隧道工程結(jié)構(gòu)。至1997年，已鋪設(shè)Rheda無砟軌道約207km。其中在土路基上鋪設(shè)混凝土道床Rheda軌道約86km，

31、瀝青混凝土道床無砟軌道約63km。</p><p>　　新建的漢諾威~柏林高速線鋪設(shè)了120km的Rheda-2000軌道，而在新建的科隆~法蘭克福高速線上，從齊格堡開始約150km長的線路上全線鋪設(shè)Rheda-2000無砟軌道。紐倫堡-英格爾城高速新線亦鋪設(shè)Rheda-2000無砟軌道。 </p><p>　　德國鐵路規(guī)定試鋪的無砟軌道要經(jīng)過5年的運(yùn)營考驗(yàn)后經(jīng)批準(zhǔn)才能正式使用。</

32、p><p>　　1996年，德國聯(lián)邦鐵路局（EBA）批準(zhǔn)：</p><p>　　——5種無砟軌道結(jié)構(gòu)可以使用</p><p>　　——10種無砟軌道結(jié)構(gòu)可進(jìn)行運(yùn)營試驗(yàn)</p><p>　　在已批準(zhǔn)可以使用的5種無砟軌道結(jié)構(gòu)中，有3種是水泥混凝土道床承載層（BTS），2種是瀝青混凝土道床承載層（ATS）。10種批準(zhǔn)試鋪的無砟軌道結(jié)構(gòu)中，有7種采用B

33、TS，3種采用ATS承載層。</p><p>　　3） ZÜBLIN無砟軌道</p><p>　　它類似Rheda軌道，是在新灌注的混凝土道床層上用特殊施工機(jī)械施加振動，以使軌枕被安置在所規(guī)定的位置上。</p><p>　　機(jī)械化施工性能雖優(yōu)，但當(dāng)超高超過150mm時，會引起施工困難。從1977~1996年，ZÜBLIN無砟軌道已鋪設(shè)總延長18k

34、m。</p><p><b>　　4）博格板式軌道</b></p><p>　　（1）路基上博格板式軌道結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　路基上博格無砟軌道由Vossloh 300型彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層及水硬性材料支承層等部分組成。</p><p>　?。?）長橋上無砟軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成</p>&l

35、t;p>　　由Vossloh 300型彈性扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、連續(xù)底座板、滑動層、側(cè)向擋塊等部分組成，臺后路基上設(shè)置摩擦板、端刺及過渡板，梁縫處設(shè)置長3m，厚度50mm的硬泡沫塑料板</p><p>　　1.2.3 英國鐵路無砟軌道</p><p>　　PACT（Paved Concrete Track）軌道</p><p>　　為英國1969年研制

36、、試鋪，1973年正式使用的高速、重載少維修無砟軌道，簡稱PACT軌道。</p><p>　　它是在就地灌注的鋼筋混凝土道床上直接聯(lián)結(jié)鋼軌，軌底與道床板之間設(shè)有連續(xù)帶狀橡膠墊板，連續(xù)支承鋼軌。這種軌道已被英國、西班牙、南非、加拿大和荷蘭等國廣泛用于大軸重高速客運(yùn)專線的隧道內(nèi)和橋梁結(jié)構(gòu)上，鋪設(shè)總延長約為80km。 </p><p>　　1.2.4法國鐵路無砟軌道</p><

37、;p>　　STEDEF雙塊式軌枕無砟軌道</p><p>　　為法國雙塊式軌枕混凝土道床無砟軌道，簡稱STEDEF軌道，類似瑞士LVT、英國LVT軌道。主要用于隧道內(nèi)，特別是地鐵軌道。由于它是在塊枕下設(shè)有橡膠襯墊和套靴以提供高彈性，故能有效地降低地鐵軌道的噪聲和振動。</p><p>　　1.3 我國無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新概況</p><p>　　1.3.1再創(chuàng)

38、新工作的總體目標(biāo)</p><p>　　在前期科研成果和引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新；</p><p>　　研發(fā)無砟軌道設(shè)計、制造、施工等成套技術(shù)及裝備，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和施工效率優(yōu)于引進(jìn)技術(shù)，總體性能不低于國外無砟軌道系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.2再創(chuàng)新工作的具體內(nèi)容</p><p>　　1）國內(nèi)外無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)

39、及無砟軌道結(jié)構(gòu)選型</p><p>　?。?）Rheda2000型無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)</p><p>　?。?）Zublin型無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)</p><p>　?。?）Bogl型板式無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)</p><p>　?。?）日本板式無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)總結(jié)</p><p>　　（5）我國無砟軌道前期試驗(yàn)研究成

40、果總結(jié)</p><p>　　2）我國客運(yùn)專線無砟軌道結(jié)構(gòu)選型報告</p><p>　　（1）無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法</p><p>　?。?） 無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要求及設(shè)計圖，包括：路基（含樁板路基）、橋涵、隧道、岔區(qū)、過渡段等基礎(chǔ)上的無砟軌道結(jié)構(gòu)。</p><p>　　（3） 無砟軌道結(jié)構(gòu)對線下基礎(chǔ)的設(shè)計要求</p>&

41、lt;p>　?。?） 無砟軌道預(yù)制件設(shè)計圖、制造技術(shù)要求及成套裝備</p><p>　?。?） 無砟軌道施工工藝及成套裝備</p><p>　　3）客運(yùn)專線無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)</p><p>　　（1） 橋上無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)</p><p>　?。?） 路基上無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)</p><p>　?。?）

42、 隧道內(nèi)無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)</p><p>　?。?） 岔區(qū)無砟軌道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)</p><p>　　(5） 過渡段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)</p><p>　?。?） 無砟軌道結(jié)構(gòu)預(yù)制件設(shè)計技術(shù)</p><p>　?。?） 無砟軌道與站后工程的接口設(shè)計技術(shù)</p><p>　　4）客運(yùn)專線無砟軌道無縫線路設(shè)計技術(shù)</

43、p><p>　?。?） 橋上無砟無縫線路設(shè)計技術(shù)（含區(qū)間、岔區(qū)）</p><p>　?。?） 無縫線路關(guān)鍵部件的設(shè)計技術(shù)（含伸縮調(diào)節(jié)器、絕緣接頭、凍結(jié)接頭）</p><p>　?。?） 無砟無縫線路鋪設(shè)技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備研制</p><p>　　5）客運(yùn)專線無砟軌道工程材料的試驗(yàn)研究</p><p>　?。?） 路基上無砟軌道

44、水硬性支承層材料的研制</p><p>　?。?） 路基面瀝青防水層材料的研制</p><p>　?。?） 無砟軌道吸音板材料的研制</p><p>　?。?） 板式軌道凸形擋臺填充樹脂材料的研制</p><p>　?。?） 過渡段道砟粘結(jié)材料的研制</p><p>　?。?） 橋上隔離層及橡膠墊層的研制</p&

45、gt;<p>　　(7） 減振型板式軌道橡膠墊層的研制</p><p>　?。?） 硬質(zhì)泡沫塑料板的研制</p><p>　?。?） 道床板及底座混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化</p><p>　　（10）錨固銷釘及錨固材料的研制</p><p>　　6）客運(yùn)專線板式軌道CA砂漿及成套裝備的研制</p><p>　

46、?。?） 瀝青乳劑的研制</p><p>　?。?） CA砂漿原材料要求及配合比設(shè)計</p><p>　?。?） CA砂漿施工工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　?。?） CA砂漿注入袋的研制</p><p>　　(5） CA砂漿調(diào)整層修補(bǔ)技術(shù)</p><p>　　7）客運(yùn)專線無砟軌道制造、檢測技術(shù)及成套裝備的研制

47、</p><p>　?。?） 混凝土軌道板制造工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　?。?） 雙塊式軌枕制造工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　?。?） 桁架式岔枕制造工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　　8）客運(yùn)專線無砟軌道施工、檢測技術(shù)及成套裝備的研制</p><p>　?。?） 板式軌道施工工藝及成套設(shè)

48、備的研制</p><p>　　（2） 雙塊式無砟軌道施工工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　?。?） 岔區(qū)無砟軌道施工工藝及成套設(shè)備的研制</p><p>　　2. 無砟軌道設(shè)計</p><p>　　2.1 無砟軌道的技術(shù)特點(diǎn)</p><p><b>　　2.1.1優(yōu)點(diǎn)分析</b><

49、/p><p>　　1）強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長，有砟軌道20年，無砟軌道60年。</p><p>　　2）幾何平順性好，保持能力強(qiáng)，技術(shù)速度更高</p><p>　　3）維修量小，養(yǎng)護(hù)人員少，簡化養(yǎng)護(hù)維修體制，無需大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械</p><p>　　4）橫向穩(wěn)定性好，可以設(shè)置較大的曲線超高，可減小線路曲線半徑，使線路選線具有較大的靈活性。<

50、;/p><p>　　5）縱向穩(wěn)定性提供更好的防爬能力，可使線路設(shè)計更大的縱坡，適應(yīng)地形好，節(jié)省工程費(fèi)。</p><p>　　6）軌道高度降低，節(jié)省隧道空間，降低橋梁二期恒載，相應(yīng)降低相關(guān)工程費(fèi)。</p><p>　　7）特別適合在高速客運(yùn)專線和長大隧道內(nèi)修建，技術(shù)性先進(jìn)、節(jié)省維修量，速度目標(biāo)值可靠。</p><p>　　8）環(huán)保：避免特級道砟開采

51、、水洗破壞環(huán)境和景區(qū)風(fēng)貌。</p><p><b>　　2.1.2缺點(diǎn)分析</b></p><p>　　1）對路基穩(wěn)定性和沉降值要求高（客專15～20mm），基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高。目前京津城際路基下沉最大47mm，預(yù)測還將發(fā)生30mm。</p><p>　　2）造價是有砟軌道1.5～2.5倍，但全壽命經(jīng)濟(jì)效益仍優(yōu)于有砟軌道。</p>

52、<p>　　3）軌道一旦破壞，修復(fù)難度較大。</p><p>　　2.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)確定的無砟軌道種類適用性</p><p>　　目前標(biāo)準(zhǔn)參考圖編制種類：</p><p><b>　　彈性支承塊式</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型雙塊式</b></p><

53、p><b>　　CRTSⅡ型雙塊式</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型板式</b></p><p><b>　　CRTSⅡ型板式</b></p><p><b>　　2.2.1扣件</b></p><p>　　預(yù)埋鐵座式彈性可調(diào)扣件&l

54、t;/p><p>　　可調(diào)式彈性扣件是為秦嶺特長隧道內(nèi)彈性支承塊式無砟軌道上使用而研發(fā)的。它是一種預(yù)埋鐵座、無擋肩、不分開、可調(diào)式彈條扣件。由ω型彈條、軌距擋板、絕緣軌距塊、軌下膠墊、預(yù)埋鐵座、T型螺栓、平墊圈、蓋型螺母及調(diào)高墊片等組成。其主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><p><b>　　設(shè)計參數(shù)：</b></p><p>　　1. 軌距：1435m

55、m。</p><p>　　2. 軌底坡：在鐵墊板上設(shè)置1:40軌底坡。</p><p>　　3. 鋼軌縱向阻力：一般地段大于9kN（每組扣件），小阻力地段為4kN（每組扣件）。</p><p>　　4. 節(jié)點(diǎn)剛度：A型：墊板靜剛度為20～30kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)靜剛度為35kN/mm。B型：墊板靜剛度為30～40kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)靜剛度為50kN/mm。&

56、lt;/p><p>　　5. 疲勞性能：扣件系統(tǒng)按EN13146-4進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后零部件無傷損，軌距擴(kuò)大小于6mm，且扣壓力變化≤20%、</p><p>　　鋼軌縱向阻力變化≤20%、節(jié)點(diǎn)靜剛度變化≤25%。（試驗(yàn)荷載參數(shù)：Pv/cosα=70kN，L/V=0.50，α=26°，X=15mm）。</p><p>　　6. 絕緣電阻：扣件系統(tǒng)

57、按EN13146-5進(jìn)行測試，兩軌間絕緣電阻大于3Ω·km，并滿足軌道電路的要求。</p><p>　　7. 惡劣環(huán)境條件影響：扣件系統(tǒng)經(jīng)EN13146-6所述300h鹽霧試驗(yàn)之后，用手工拆卸工具能順利拆卸。</p><p>　　8. 鋼軌左右位置調(diào)整量：單股鋼軌左右位置調(diào)整量：-6～+6mm；軌距調(diào)整量：-12～+12mm，連續(xù)無級調(diào)整。</p><p>

58、;　　9. 鋼軌高低位置調(diào)整量：30mm，調(diào)整級別為1mm，采用充填式墊板可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整。</p><p>　　10. 彈條扣壓力及彈程：W1型彈條：扣壓力大于9kN，彈程14mm；X2型彈條：扣壓力6kN，彈程12mm。</p><p>　　11. 預(yù)埋套管抗拔力：不小于100kN。</p><p>　　2.3 無砟軌道的適用范圍</p><

59、p>　　2.3.1客貨混運(yùn)線</p><p>　　設(shè)計速度200km/h以下，無砟主要考慮鋪設(shè)于長大隧道地段、長橋地段及橋隧相連地段，其余地段以有砟軌道為主。主推無砟軌道類型有：</p><p><b>　　彈性支承塊無砟軌道</b></p><p><b>　　CRTSⅠ型雙塊式</b></p>&l

60、t;p><b>　　框架式軌道板 </b></p><p><b>　　2.3.2客運(yùn)專線</b></p><p>　　設(shè)計速度300km/h~350km/h，原則上全線鋪設(shè)無砟軌道，主推軌道類型有：CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式。</p><p>　　其中溫暖地區(qū)CRTS

61、Ⅰ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，寒冷地區(qū)可考慮分塊式單元結(jié)構(gòu)；CRTSⅠ型板式溫暖地區(qū)可采用框架式，寒冷地區(qū)可采用大板，目前不主張在寒冷地區(qū)采用CRTSⅡ型連續(xù)板（博格）。</p><p><b>　　2.3.3城際鐵路</b></p><p>　　設(shè)計速度250km/h，無砟主要考慮鋪設(shè)于長大隧道地段、長橋地段及橋隧相連地段，其余路基地段以有砟軌道為主。

62、主推無砟軌道類型有：CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型雙塊式、CRTSⅠ型板式。</p><p>　　2.4 無砟軌道設(shè)計</p><p>　　2.4.1設(shè)計解決的問題及目標(biāo)值</p><p>　　1）軌道強(qiáng)度、材料耐久性指標(biāo)60年、氣候條件——道床厚度、配筋率、道床裂縫寬度、鋼筋保護(hù)層厚度——軌道部件種類</p><p>　　2）軌道彈性指

63、標(biāo)：合理范圍20~60kN/mm，主要靠扣件膠墊實(shí)現(xiàn)，板式軌道CAM僅能提供部分緩沖作用。</p><p>　　3）施工方法、進(jìn)度指標(biāo)</p><p><b>　　4）維修性指標(biāo)</b></p><p><b>　　5）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)</b></p><p><b>　　2.4.2設(shè)計選型&l

64、t;/b></p><p><b>　　結(jié)構(gòu)選型原則</b></p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)形式與速度、軸重、運(yùn)量匹配</p><p><b>　?。?）技術(shù)成熟</b></p><p><b>　　（3）可施工性好</b></p><p><

65、;b>　?。?）經(jīng)濟(jì)性好</b></p><p><b>　　2.4.3設(shè)計接口</b></p><p><b>　　1）線路與超高接口</b></p><p>　　線路曲線半徑與外軌超高關(guān)聯(lián)，由于無砟軌道橫向穩(wěn)定性更好，可以使曲線超高更大些，因此使線路曲線半徑更小。</p><p&g

66、t;<b>　　2）路基與排水接口</b></p><p><b>　?。?）路基沉降：</b></p><p>　　我國時速300-350公里暫規(guī)：</p><p>　　①有砟軌道路基工后沉降量不應(yīng)大于5cm，沉降速率應(yīng)小于2cm/年。橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應(yīng)大于3cm。</p><p>

67、　?、跓o砟軌道地段路基在無砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15mm；沉降比較均勻、長度大于20m的路基，允許的最大工后沉降量為30mm，并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)能滿足下列要求：</p><p>　　Rsh≥0.4 沉降值——15mm </p><p>　　德國擬合豎曲線理論：</p

68、><p>　　德國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)RIL836規(guī)定：無砟軌道結(jié)構(gòu)的總殘余沉降量SR應(yīng)滿足1要求，個別特殊情況應(yīng)滿足2要求。</p><p>　　1、無砟軌道施工以后的最大總殘余沉降量SR應(yīng)不超過軌道的最大調(diào)整余量減去5 mm。在長度大于20m的均勻沉降路段，結(jié)構(gòu)的殘余沉降量最大不應(yīng)超過2倍修正調(diào)節(jié)量。該調(diào)節(jié)量最大不超過20 mm，修正調(diào)節(jié)量為15mm，其中5mm的差是為了抵消火車經(jīng)過時產(chǎn)生的沉降。&l

69、t;/p><p>　　2、個別特殊情況，結(jié)構(gòu)的總殘余沉降量可以調(diào)整至6 cm，前提是根據(jù)列車行駛動力學(xué)原理 Ra 0.4 ve2 ，對線路長的落差值采取一定的過渡措施。 </p><p><b>　　3）隧道接口</b></p><p>　　沉降縫處理：不同結(jié)構(gòu)縫處軌道設(shè)置斷縫；山區(qū)圍巖穩(wěn)定是可不設(shè)斷縫。在軌道板末端或者在工作縫和施工縫等自由邊

70、，底座和無砟軌道之間的粘結(jié)必須采用特殊的措施來進(jìn)行處理。</p><p>　　為了確保軌道板混凝土和底座間的粘接，防止橫向荷載和抬升發(fā)生，應(yīng)該在軌枕之間的軌道板的自由邊上安裝直徑為25mm的銷釘，每處安裝4排，1排5個銷釘，正常的銷釘是直徑為25mm的直螺紋鋼筋，其長度要確保無砟軌道內(nèi)有固定的長度，而且要插入隧道內(nèi)100mm。 </p><p>　　隧道結(jié)構(gòu)相鄰單元之間的沉降差不能超過3

71、mm。在施工和運(yùn)營過程中都必須嚴(yán)格監(jiān)控有可能產(chǎn)生沉降差的結(jié)構(gòu)縫，以便于及時調(diào)整沉降差。</p><p>　　在特殊情況下，如果隧道結(jié)構(gòu)允許的話，沉降差也可以大于3 mm。在此處，混凝土底板和道床板中都要斷開設(shè)置。</p><p>　　在結(jié)構(gòu)縫處沒有設(shè)置活動連接的軌道結(jié)構(gòu)單元，應(yīng)采取必要的措施，以避免兩層混凝土結(jié)構(gòu)之間互相粘連，以及由于下部結(jié)構(gòu)的變形而加劇上部道床板裂縫的發(fā)展。當(dāng)沉降差在0～

72、3 mm范圍時，需在道床板內(nèi)配附加鋼筋，且在混凝土底板和道床板之間要設(shè)置PE膜作為隔離層；當(dāng)沉降差大于3 mm時，應(yīng)將混凝土底板和道床板斷開設(shè)置，且在混凝土底板和道床板之間設(shè)置PE膜作為隔離層。</p><p><b>　　4）橋梁接口</b></p><p>　?。?）技術(shù)要求：梁端轉(zhuǎn)角≤1‰</p><p>　　（2）長橋上軌道與梁面連接方

73、式：跨度大于25M為長橋</p><p>　　2.5 無砟軌道結(jié)構(gòu)檢算</p><p><b>　　2.5.1國外情況</b></p><p>　?。?）Zublin無砟軌道設(shè)計原理及計算方法</p><p><b>　　計算模型和假定:</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)計

74、算模型分為三層，最上面是鋼軌，下面是承載層，由道床板和水硬性承載層共同組成，最下面是防凍層及地基各土層。</p><p>　　計算假定一：軌道結(jié)構(gòu)的上部荷載是通過軌枕以45°角向下傳遞的。</p><p>　　計算假定二：道床板混凝土處于未開裂狀態(tài)。</p><p>　　另外，雙塊式軌枕與道床板整體澆筑在一起，這保證了荷載的橫向傳遞，所以不用額外對結(jié)構(gòu)橫向

75、的抗彎承載力進(jìn)行分析。也就是說，鋼軌下部的混凝土承重結(jié)構(gòu)主要是受沿軌道縱向的彎矩作用，設(shè)計時可以簡化成“彈性地基梁”。</p><p>　　無砟軌道設(shè)計是基于德國鐵路要求(AKFF)和Eisenmann 教授和Leykauf教授 的理論。</p><p>　　德國AKFF規(guī)定配筋率為0.8 到 0.9 %，鋼筋須設(shè)在軌道板的中間位置附近。在裂縫處，鋼筋確保荷載從一邊轉(zhuǎn)移到另一邊，同時保證了

76、裂縫寬度的在限值之內(nèi) ，以保護(hù)鋼筋免受腐蝕。 德國規(guī)范規(guī)定無砟軌道的容許裂縫寬度為0.5 mm。</p><p>　?。?）橋上無砟軌道設(shè)計原理及計算方法</p><p>　　設(shè)計原理同路基上無砟道岔與長橋上無砟軌道，特別考慮了下列因素的影響：</p><p>　　橋梁撓曲變形的影響；</p><p>　　橋上無縫線路附加縱向力的影響；<

77、;/p><p>　　2.5.2國內(nèi)檢算方法概況</p><p>　　1）結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算使用年限</p><p>　?。?）無砟軌道的設(shè)計與檢算采用容許應(yīng)力法。</p><p>　?。?）按我國結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，設(shè)計壽命為50年的稱為半永久性結(jié)構(gòu)，設(shè)計壽命為100年的稱為永久結(jié)構(gòu)，并沒有與設(shè)計壽命60年(如德國采用的設(shè)計使用壽命)對應(yīng)的耐久性設(shè)計要求。因

78、此我國無砟軌道在設(shè)計中建議按使用壽命50年考慮，以方便在耐久性設(shè)計中參照有關(guān)規(guī)范。</p><p><b>　　2）計算檢算范圍</b></p><p><b>　?。?）主體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?、佘壍腊?、道床板、底座應(yīng)進(jìn)行配筋設(shè)計及強(qiáng)度、裂紋、疲勞等檢算。</p><p>　?、谏皾{

79、層應(yīng)進(jìn)行抗拉壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度檢算。</p><p>　?、蹚椥詨|層應(yīng)進(jìn)行剛度設(shè)計、強(qiáng)度檢算并依據(jù)設(shè)計使用年限內(nèi)的老化特性進(jìn)行選材。</p><p>　?、苤С袑釉谠O(shè)計中納入計算，但不進(jìn)行檢算。</p><p><b>　?。?）附屬結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?、龠B接層應(yīng)進(jìn)行關(guān)于粘接強(qiáng)度的抗拉、抗剪強(qiáng)度計算

80、和檢算。</p><p>　?、谕剐螕跖_、底座上的凸形限位臺、底座側(cè)面的限位器等應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計算和檢算。</p><p>　?、巯尬讳N釘應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計算和檢算，還應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度檢算。</p><p>　?、艿来舶迮c底座間的隔離層、底座板與橋梁面板間的滑動層應(yīng)依據(jù)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行選材或檢算。</p><p>　?、菘v連式無砟軌道的端部限位臺座及與橋

81、梁連接的傳力結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計算和檢算。</p><p>　?、奁渌綄俳Y(jié)構(gòu)根據(jù)需要進(jìn)行強(qiáng)度計算或檢算，必要時進(jìn)行疲勞檢算。</p><p>　　3）結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容與荷載組合</p><p>　?。?）主體結(jié)構(gòu)中的軌道板、道床板、底座</p><p>　　①所用材料的性能應(yīng)按設(shè)計壽命50年，依據(jù)國標(biāo)GB50010-2002中關(guān)于耐久性設(shè)計的相關(guān)

82、規(guī)定進(jìn)行。</p><p>　?、趩卧綗o砟軌道以“列車豎向設(shè)計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上）”引起的主體結(jié)構(gòu)的彎矩進(jìn)行配筋設(shè)計及裂縫寬度檢算。</p><p>　?、劭v連式無砟軌道以“列車豎向設(shè)計荷載＋溫度梯度＋橋梁撓曲變形（如在橋上）＋縱向溫度力”引起的主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，依據(jù)裂紋寬度限值和鋼筋強(qiáng)度限值進(jìn)行配筋設(shè)計。</p><p>　?、芤浴傲熊囏Q向準(zhǔn)靜

83、態(tài)檢算荷載＋溫度梯度＋縱向溫度力＋基礎(chǔ)變形＋混凝土收縮”進(jìn)行強(qiáng)度檢算。</p><p>　　⑤以“列車豎向疲勞檢算荷載＋溫度梯度”按50年內(nèi)荷載作用次數(shù)進(jìn)行疲勞檢算。</p><p>　　⑥以運(yùn)輸、吊裝、施工、維修中可能出現(xiàn)的臨時荷載進(jìn)行強(qiáng)度檢算，給出限制條件或施工維護(hù)指導(dǎo)意見。</p><p>　?。?）列車豎向荷載計算方法</p><p>

84、;　?、倭熊囏Q向設(shè)計荷載供設(shè)計計算時使用，為列車運(yùn)行在線路上的最大可能輪載值再考慮一定的安全裕量，取靜輪載的3倍或單輪300kN。</p><p>　?、诹熊囏Q向準(zhǔn)靜態(tài)檢算荷載供靜力檢算中的計算使用，為列車運(yùn)行在線路上的最大可能輪載值，單輪取為2.0倍靜輪載。</p><p>　?、哿熊囏Q向疲勞檢算荷載供疲勞檢算中的計算使用，為列車運(yùn)行在線路上經(jīng)常出現(xiàn)的輪載值，單輪取為0.3-1.5倍靜輪

85、載循環(huán)荷載。</p><p>　?、芨綄俳Y(jié)構(gòu)設(shè)計檢算中列車橫向荷載按輪載的0.8倍，疲勞檢算時取輪載的0.4倍。</p><p>　?、莞綄俳Y(jié)構(gòu)設(shè)計檢算中列車縱向荷載取輪載的0.164倍。</p><p>　　⑥進(jìn)行平板溫度翹曲應(yīng)力計算時，參照公路規(guī)范《（JTG D40-2002）公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》的溫度梯度取值，將取值除以2，再取不同地區(qū)的平均值，建議我

86、國無砟軌道設(shè)計中溫度梯度的取值暫定為45℃/m。則對于190mm厚的軌道板，溫度梯度取為8.6℃。</p><p>　?、呖v向溫度力計算中的年最高最低氣溫按我國無縫線路設(shè)計中相關(guān)規(guī)范取值。</p><p>　?、嗍湛s按降溫處理，降溫幅度參照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范（TB 10002.1-2005）》第4.4.5條規(guī)定選用。</p><p>　?、崧坊两禃喊?5mm/

87、20m取值。</p><p>　?、鈽蛄簱锨冃?、墩臺沉降、梁端轉(zhuǎn)角按所在線路的橋梁設(shè)計暫規(guī)取值。</p><p>　　3）無砟軌道列車荷載彎矩計算理論</p><p>　?。?）彈性地基上的疊合梁理論</p><p>　　（2）彈性地基上的梁－板理論</p><p>　?。?）彈性地基上的梁－體有限元計算理論<

88、/p><p>　　為消除邊界效應(yīng)，模型選取三塊單元軌道板或相當(dāng)?shù)拈L度進(jìn)行計算，以中間單元板作為研究對象，計算的應(yīng)力數(shù)據(jù)經(jīng)過積分運(yùn)算得到軌道板所受縱橫向彎矩。梁體有限元理論的計算模型如圖所示。</p><p>　　4）比較分析的初步結(jié)論</p><p>　?。?）建議采用梁板理論進(jìn)行列車荷載作用下的彎矩計算</p><p>　?。?）疊合梁理論修正

89、后也可用于設(shè)計計算</p><p>　?。?）梁體有限元計算理論宜作為研究中使用</p><p><b>　　圖2.1疊合梁模型</b></p><p><b>　　圖2.2梁-板模型</b></p><p><b>　　圖2.3梁-體模型</b></p><

90、;p><b>　　3 有限元介紹</b></p><p>　　3.1 有限元方法的發(fā)展歷史</p><p>　　早在1941年，Hrennikoff用線單元網(wǎng)絡(luò)求解連續(xù)體中的應(yīng)力，從而在20世紀(jì)40年代便開始了有限元方法的現(xiàn)代發(fā)展。</p><p>　　1943年，Courant嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相

91、結(jié)合，來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題，將此作為一種得到近似數(shù)值解的方法。 </p><p>　　1953年，Levy和Kelsey提出采用剛度法或位移法可用來分析靜不定飛機(jī)結(jié)構(gòu)。可是方程太過復(fù)雜，無法手工處理，因此隨著計算機(jī)的發(fā)展，這種方法才普及起來。</p><p>　　1954年，Argyris和Kelsey利用能量原理建立了矩陣結(jié)構(gòu)分析方法。這說明了能量原理在有限元方法中有著重

92、要的作用。 </p><p>　　現(xiàn)代有限元方法第一個成功的嘗試，是將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題。這是Turner, Clough等人于1956年在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確解答。三角形單元的單元特性是由彈性理論方程來確定的，采用的是直接剛度法。他們的研究工作打開了利用電子計算機(jī)求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。</p><p>　　

93、第一次提出“有限單元法”的名稱是在1960年，Clough進(jìn)—步處理了平面彈性問題，使人們認(rèn)識到了有限元法的功效。</p><p>　　1963—1964年，Besseling ，Melosh和Jons等人證明了有限單元法是基于變分原理的里茲法的另一種形式，從而使里茲法分析的所有理論基礎(chǔ)都適用于有限單元法。確認(rèn)了有限單元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。利用變分原理建立有限元方程和經(jīng)典里茲法的主要區(qū)別是，有限單

94、元法假設(shè)的近似函數(shù)不是在全求解域而是在單元上規(guī)定的，而且事先不要求滿足任何邊界條件，因此可以用來處理很復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)問題。</p><p>　　20世紀(jì)60年代早期以前，大多數(shù)有限元工作是處理小應(yīng)變、小位移、彈性材料和靜載荷。60年代以后，在有限元法中主要利用的是伽遼金(Galerkin)法，采用加權(quán)余量方式來確定單元特性和建立有限元求解方程。它可以用于已經(jīng)知道問題的微分方程和邊界條件、但是變分的泛函尚未找到或者

95、根本不存在的情況，因而進(jìn)一步擴(kuò)大了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　目前，有限元法的應(yīng)用已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定向題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、黏彈性、黏塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核發(fā)展到優(yōu)化設(shè)計和計算機(jī)輔助設(shè)計(CAE)技術(shù)相結(jié)合。在工程應(yīng)用上，有限元法在航

96、空航天工程、機(jī)械工程、建筑工程、海洋工程、地質(zhì)工程、生物力學(xué)工程等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)計，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限單元法作為一個具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具，必將在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身亦將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。</p><p>　　3.2 有限元常用術(shù)語簡介</p><p><b>　　(1)單元</b>

97、</p><p>　　結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格劃分中的每——個小的塊體稱之為單元。常見的單元類型有線段單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元幾種。由于單元是組成有限元模型的基礎(chǔ)，因此單元類型對于有限元分析是至關(guān)重要的。一個有限元程序提供的單元種類越多，它的功能就越強(qiáng)大。</p><p><b>　　(2)節(jié)點(diǎn)</b></p><p>　　確

98、定單無形狀的點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)，例如：線段單元只有2個節(jié)點(diǎn)，三角形單元中有3個或6個節(jié)點(diǎn)，四邊形至少有4個節(jié)點(diǎn)等。</p><p><b>　　(3)載荷</b></p><p>　　工程結(jié)構(gòu)所受到的外在施加的力稱為載荷。包括集中力和分布力等。在不同的學(xué)科中，載荷的含義也不同。例如：在電磁場分析中，載荷是指結(jié)構(gòu)所受的電場和磁場作用；在溫度場分析中，所受的載荷是指溫度本身。<

99、;/p><p><b>　　(4)邊界條件</b></p><p>　　邊界條件就是指結(jié)構(gòu)邊界上所受到的外加約束。在有限元分析中，邊界條件的確定是非常重要的因素。錯誤的邊界條件的選擇往往使有限元中的剛度矩陣發(fā)生奇異，使程序無法正常運(yùn)行。施加正確的邊界條件是獲得正確的分析結(jié)果和較高的分析精度的重要條件。</p><p>　　3.3 有限元方法的一般

100、步驟</p><p>　　有限無法用相互連接的單元模擬結(jié)構(gòu)。每個單元都有一個位移函數(shù)與之相關(guān)。相互聯(lián)結(jié)的單元通過共同(或共享)的界面，與其他單元聯(lián)結(jié)起來。通過使用構(gòu)成結(jié)構(gòu)材料已知的應(yīng)力應(yīng)變特性，可以用結(jié)構(gòu)中其他單元的特性確定給定節(jié)點(diǎn)的特性。描述每一節(jié)點(diǎn)特性的整組方程得出一系列用矩陣符號最佳表示的代數(shù)方程。具體說，進(jìn)行有限元分析，主要可分為如下幾步。</p><p>　　步驟1：離散結(jié)構(gòu)和選

101、擇單元類型</p><p>　　將給定的物體劃分為具有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的等價的有限無系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蛠碜罱咏啬M系統(tǒng)實(shí)際的物理性能。所用的單元總數(shù)和給定物體內(nèi)單元大小和類型的變化是需要工程判斷的主要問題。單元必須小到可以給出有用的結(jié)果，又必須足夠大以節(jié)省計算費(fèi)用。一般來說，一維結(jié)構(gòu)的有限單元可以為線段；二維連續(xù)體的有限單元為三角形、四邊形；三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長方體和六面體。各種類型的單元有著不同

102、的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點(diǎn)。分析人員必須要決定單元的類型、數(shù)目、大小和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。</p><p>　　步驟2：選擇位移函數(shù)</p><p>　　假設(shè)的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實(shí)的位移分布。通常假設(shè)位移函數(shù)為多項式，最簡單的情況為線性多項式。在實(shí)際應(yīng)用中，沒有一種多項式可以與實(shí)際位移完全一致。用戶所要做

103、的是選擇多項式的階次、以使多項式在可以承受的計算時間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。此外．還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，它們通常是節(jié)點(diǎn)的位移，但也有可能包括節(jié)點(diǎn)的位移函數(shù)。所選擇的位移函數(shù)是用單元的節(jié)點(diǎn)值在單元內(nèi)部定義的，并且每個單元可以重復(fù)使用同一個通用的位移函數(shù)。</p><p>　　步驟3：定義應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　為了推導(dǎo)每一個有限單元的方程，需要應(yīng)變位移和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。此

104、外，應(yīng)力和應(yīng)變必須通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(通常叫做本構(gòu)關(guān)系)聯(lián)系起來。在獲取可接受的結(jié)果時，精確定義材料行為的能力是最重要的。最簡單的應(yīng)力／應(yīng)變定律即是虎克定律。</p><p>　　步驟4：推導(dǎo)單元剛度矩陣和方程</p><p>　　單元剛度矩陣是根據(jù)最小位能原理或其他原理，由單元材料和幾何性質(zhì)導(dǎo)出的平衡方程系數(shù)構(gòu)成的。單元剛度短陣將節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來，物體受到的分布載荷變換為節(jié)點(diǎn)處的等

105、價集中力。剛度矩陣K、節(jié)點(diǎn)力矢量F和節(jié)點(diǎn)位移矢量D的平衡關(guān)系表示為矩陣形式為</p><p>　　{F}=[K]{D}</p><p>　　步驟5：組裝單元方程得出總體方程并引進(jìn)邊界條件</p><p>　　可以便用疊加法將步驟4得到的單個單元方程組裝在一起得出整個結(jié)構(gòu)的總體方程。疊加法中所隱含的是連續(xù)和協(xié)調(diào)概念，要求結(jié)構(gòu)保持完整，在結(jié)構(gòu)任何一處都不發(fā)生撕開。<

106、;/p><p>　　最后得到如下形式的總體矩陣方程：</p><p>　　{F}=[K]{D}</p><p>　　其中 {F}——整體節(jié)點(diǎn)力矢量；</p><p>　　[K] ——總體剛度矩陣；</p><p>　　{D} ——總體節(jié)點(diǎn)位移矢量。</p><p>　　步驟6：解未知自由度<

107、;/p><p>　　即是求解上面得到的矩陣方程。</p><p>　　步驟7：求解單元應(yīng)變和應(yīng)力</p><p>　　對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析來說，因?yàn)閼?yīng)力應(yīng)變可以用步驟6確定的位移直接表達(dá)。因此應(yīng)力應(yīng)變是第二批得到的重要的量?？梢允褂玫湫偷膽?yīng)變和位移關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如上面所述。</p><p><b>　　步驟8：解釋結(jié)果</b

108、></p><p>　　最后的目標(biāo)是解釋和分析用于應(yīng)力應(yīng)變分析過程的結(jié)果。在進(jìn)行設(shè)計和分析決策時，通常需要確定結(jié)構(gòu)中位移最大和應(yīng)力最大的位置。后處理計算機(jī)程序用圖形顯示的方式幫助用戶解釋結(jié)果。 在使用有限元程序求解問題時，分析人員必須作出決定的問題是：將結(jié)構(gòu)或連續(xù)體劃分為有限元的問題、選擇單元類型或分析中要使用的單元類型、外加載荷的類型、邊界條件的類型、外加支撐的類型問題，步驟2—7由計算機(jī)程序自動完成。&

109、lt;/p><p>　　3.4 有限元方法的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　(1)有限元法的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　?、儆邢拊ú恍枰m用于整個物體的插值闡述，而是對每個單元各自插值，故此可以很容易地模擬具有不規(guī)則復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。</p><p>　?、谡麄€系統(tǒng)離散為有限個單元，并將整個系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程。從而可以用多種方法對其求解。

110、</p><p>　?、劭梢院翢o困難地處理一般的載荷。</p><p>　?、苓吔鐥l件不進(jìn)入單個有限單元的方程，而是在得到整體方程后再加入邊界條件，這樣，內(nèi)部和邊界單元都能采用相同的場變量模型。而且當(dāng)邊界條件改變時，內(nèi)部場變量模型不需要改變。</p><p>　?、菀?yàn)閱卧匠淌菃蝹€建立的，所以可以模擬由幾種不同材料構(gòu)成的物體，處理非線性問題，求解非均勻介質(zhì)。<

111、;/p><p><b>　?、蘅商幚韯討B(tài)問題。</b></p><p>　?、邌卧某叽绱笮】梢宰兓腋淖冇邢拊Ｐ鸵脖容^容易。</p><p>　?、嗵幚泶笞冃魏头蔷€性材料帶來的非線性問題。</p><p>　　(2)有限元法的不足之處</p><p>　?、儆邢拊嬎?。尤其是在對復(fù)雜問題的分析

112、上，所耗費(fèi)的計算資源是驚人的。</p><p>　　計算資源包括計算時間、內(nèi)存和硬盤空間。</p><p>　　②對于無限區(qū)域問題，有限元法很難處理。</p><p>　?、郾M管現(xiàn)在的有限元軟件提供了自動劃分網(wǎng)格技術(shù)，但到底采用何種單元、網(wǎng)格密度選取多大才合適等問題，需要依賴于經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　?、苡邢拊治龅玫降慕Y(jié)果并不是計算機(jī)輔助

113、工程的全部，而且一個完整的系統(tǒng)仿真分析不能單獨(dú)使用有限元分析來完成，必須結(jié)合其他分析和工程實(shí)踐才能完成整個工程仿真設(shè)計。</p><p>　　3.5 有限元方法的應(yīng)用</p><p>　　有限元方法可用于分析結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)問題。</p><p><b>　　(1)結(jié)構(gòu)問題</b></p><p>　?、賾?yīng)力分析，包含桁架

114、和框架分析，與孔、凸起式其他物體幾何形狀改變相關(guān)的應(yīng)力集中問題。</p><p><b>　?、谇治?。</b></p><p>　　③振動分析和模態(tài)分析。</p><p><b>　　(2)非結(jié)構(gòu)問題</b></p><p><b>　　①熱傳遞問題。</b></p&

115、gt;<p>　?、诹黧w流動，包括通過多孔材料的滲流。</p><p><b>　　③電位或磁位分布。</b></p><p>　?、苌锪W(xué)工程問題。</p><p>　　3.6 有限元發(fā)展方向及重大進(jìn)展</p><p>　　3.6.1國際上的發(fā)展</p><p>　　當(dāng)今國際上

116、有限元方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢待征。</p><p>　　(1)從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題</p><p>　　近年來，有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解交叉學(xué)科的問題。例如當(dāng)氣流流過一個很高的鐵塔時就會使鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動……這就需要用固體力學(xué)和流體動力學(xué)的有限元分析結(jié)果交

117、叉迭代求解，即所謂“流固耦合”的問題。</p><p>　　(2)由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅